3 (67), 2012 136 / complex rezearch of influence of duration of liquid phase irradiation by electromagnetic impulses on para- meters of liquid state parameters is carried out. Э. х. РИ, хОСЕН РИ, С. В. ДОРОФЕЕВ, А. c. ЖИВЕТьЕВ, Т. С. ЖЕРНОВА, Г. А. КНЯЗЕВ, ФГБОу ВПО «Тихоокеанский государственный университет» УДК 539.186: 537, 621.74(07) влияние облучения ЖиДкой фаЗЫ наносекунДнЫми ЭлектромагнитнЫми имПульсами на ПроцессЫ кристаллиЗации и структурообраЗования, свойства меДи и оловянистой бронЗЫ Проводили комплексное исследование влияния продолжительности облучения жидкой фазы нано- секундными электромагнитными импульсами (ПОН) на параметры жидкого состояния (степень уплот- нения ∆Iж и коэффициент термического сжатия aж при охлаждении), кристаллизационные характери- стики (температура начала и конца кристаллиза- ции tл и tс, продолжительность кристаллизации tкр, степень уплотнения гетерофазного расплава при кристаллизации ∆Iкр), физико-механические (плот- ность, теплопроводность, твердость, микротвер- дость структурных составляющих) и эксплуатаци- онные (жаростойкость, износостойкость, корро- зионностойкость) свойства меди и оловянистой бронзы (Cu + 6,0 мас.% Sn). Генератор НЭМИ (ГНИ-01–1-6) имеет следу- ющие характеристики: • полярность импульсов – положительная; • амплитуда импульсов на нагрузке 50 Ом – 6000 В; • длительность импульсов на половинном уров - не – 0,5 нс; • максимально допустимая частота следования генерируемых импульсов – 1 кГц; • задержка выходного импульса относительно фронта импульса запуска – 120 нс; • максимальный ток, потребляемый генерато- ром во всем диапазоне питающих напряжений, не более 17 А при частоте 61 кГц. Методика облучения расплава НЭМИ. Воз- действие НЭМИ на жидкую фазу осуществляли погружением излучателя в расплав, изолировав его от контакта с жидким металлом с помощью кварцевого или алундового наконечника, прозрач- ного для наносекундных электромагнитных волн. Плавку проводили в алундовом тигле на установке «Параболоид–4» конструкции ЦНИИТМШ. В ка- честве излучателя использовали стальной стер- жень диаметром 6 мм. Строение жидкой фазы. Установлено, что ми- нимальные значения степени уплотнения расплава от температуры перегрева 1300 ºС до температуры начала кристаллизации ∆Iж-tл и коэффициента тер- мического сжатия aж (a1) наблюдаются при ПОН, равной 15 мин, т. е. расплав подвергается меньшей усадке с более медленным темпом сжатия (усадки) при охлаждении. Строение жидкой меди изменяется по обрат- ной зависимости, чем у оловянистой бронзы: с увеличением продолжительности облучения до 10-минутного степень уплотнения жидкой фазы ∆Iж-tкр возрастает, а коэффициент термиче- ского сжатия aж, наоборот, уменьшается. Следо- вательно, жидкая фаза подвергается большей усадке с более быстрым темпом сжатия при охлаждении. Кристаллизация. Минимальные значения крис- таллизационных параметров (tкр для меди, tл и tс для бронзы) наблюдаются при ПОН, равной 10 и 15 мин соответственно для меди и оловянистой бронзы. При этом степень уплотнения расплава при кристаллизации меди возрастает, а при кристалли- зации оловянистой бронзы, наоборот, уменьшает- ся. Коэффициент термического сжатия a2 в твер- дом состоянии для меди уменьшается до 10-ми- нутного облучения НЭМИ, а для бронзы, наобо- 3 (67), 2012 / 137 рот, увеличивается до 15-минутного облучения расплава НЭМИ. Структурообразование оловянистой бронзы . В отличие от равновесного состояния в литом сплаве обнаруживается d-фаза (Cu31Sn8) в составе эвтектоида (a+d). Для структуры исходного, необлученного НЭМИ образца характерны строго направленные крупные (толщиной около 70 мкм) главные оси дендритов a-твердого раствора. Вторичные оси дендритов практически отсутствуют. Доля a-твер- дого раствора в структуре составляет 45–50%. В структуре облученных НЭМИ сплавов в течение 5 и 10 мин имеются компактные оси дендритов. Доля a-твердого раствора в структуре составляет 50–55% для обоих образцов. Первичные и вторич- ные оси дендритов имеют практически одинако- вые размеры: толщина первичных осей дендритов около 40 мкм, средняя толщина осей вторичных дендритов около 50–60 мкм, длина вторичных осей дендритов – 170–220 мкм соответственно. На структуре сплава, облученного в течение 15 мин, заметны некоторые существенные изменения: главные оси дендритов средней толщиной 50 мкм имеют преимущественную ориентацию в одном направлении. От главных осей дендритов отходят компактные вторичные оси толщиной около 60 мкм и длиной около 180 мкм. Доля a-твердого раствора составляет 60–70%. Структура сплава, облученно- го в течение 20 мин, характеризуется более выра- женными вторичными осями дендритов со средни- ми размерами: толщина 60 мкм и длина 210 мкм. Первичные оси толщиной порядка 30 мкм раздро- блены и располагаются преимущественно в одном направлении. Таким образом, в микроструктуре исходного образца и облученных в течение 5, 10 и 20 мин доля a-твердого раствора в структуре составляет 45–50%, что соответствует диаграмме состояния Cu–Sn. Иная картина наблюдается для сплава, об- лученного НЭМИ в течение 15 мин у него доля a-твердого раствора в структуре составляет 60– 70%. Следовательно, наиболее значительные изме- нения микроструктуры сплава Cu+ 6%Sn наблюда- ются при 15-минутном облучении расплава НЭМИ. На сканирующем электронном микроскопе EVO-50XP (фирма «Карл Цейс») исследовали ми- кроструктуру образцов из бронзы, подвергнутых облучению НЭМИ в жидком состоянии в течение 5, 10, 15 и 20 мин, при увеличениях от 30 до 5000 (для особых участков шлифа). Исследованию под- вергали участки образцов, находящихся на различ- ных расстояниях от поверхности слитка (край, се- редина и центр). Микроструктура исходной бронзы состоит из неоднородного a-твердого раствора, имеющего дендритное строение, и эвтектоида (a+d). При уве- личении 1000 эвтектоид имеет скелетообразное строение. Микроструктура характеризуется неод- нородностью, зависящей от расстояния от поверх- ности слитка. Следует также отметить, что в литом сплаве формируется значительное количество уса- дочных пор, особенно в центральной зоне cлитка, где кристаллизация идет более медленным темпом. Облучение расплава НЭМИ в течение 5 мин существенно изменяет процесс структурообразо- вания. Наблюдается тенденция измельчения струк- турных составляющих (a и эвтектоид) сплава. Умень- шаются фазовая неоднородность, количество эв- тектоида и его размеры независимо от местополо- жения исследуемых зон. Кроме того, в структуре также резко уменьшается количество усадочных пор. С увеличением ПОН до 10 мин включения эв- тектоида становятся более компактными в резуль- тате их дробления (диспергирования) под воздей- ствием НЭМИ. Дальнейшее облучение расплава НЭМИ (15 мин) способствует более интенсивному измельчению структурных составляющих. Скеле- тообразное строение эвтектоида превращается в бо- лее компактную форму, что видно при больших увеличениях (1500 и 4000). Крупные одиночные включения эвтектоида имеют сотовое строение не- зависимо от места нахождения зон. При 20-минут- ной продолжительности облучения расплава НЭМИ эвтектоид кристаллизуется в виде цепочек. Таким образом, при длительном облучении расплава вновь проявляется фазовая неоднородность и уве- личиваются размеры эвтектоида. Микрорентгеноспектральный анализ. Ана- лизу подвергали центр (ЦД) и край (КД) дендрита a-твердого раствора, включения эвтектоида (a + d – Cu31Sn8), среднее содержание Cu и Sn в a-твердом растворе эвтектоида (a + d – Cu31Sn8). По характеру распределения Cu и Sn в отра- женных электронах и рентгеновских излучениях Cu Ka-L и Sn La-L в различных участках необлу- ченного НЭМИ сплава (карты) видно, что медь и олово распределяются в металлической основе a-твердого раствора неравномерно в зависимости от места анализа (профили). Компоненты сплава сравнительно равномерно распределяются в ме- таллической основе по выбранным профилям. Од- нако по профилям содержания Cu и Sn существен- но отличаются. В местах скопления эвтектоида (a + Cu31Sn8) содержание меди резко уменьшается, а содержание олова резко возрастает. На рис. 1, а, б приведено распределение Сu и Sn по сечению дендрита a-твердого раствора. В цен- 3 (67), 2012 138 / тре дендрита (ЦД) медь растворяется больше, чем в его периферии (КД). Следовательно, в твердом растворе наблюдается прямая ликвация меди и об- ратная ликвация олова. Облучение НЭМИ жидкой фазы в течение 5–15 мин приводит к более равно- мерной фазовой однородности по сравнению с не- облученной бронзой, о чем свидетельствуют ре- зультаты рентгеновских излучений. Наблюдается тенденция снижения растворимости меди в центре и крае дендрита твердого раствора (рис. 1, а), а ха- рактер распределения олова имеет обратную зави- симость, чем медь (рис. 1, б). Такой характер рас- творимости олова в твердом растворе можно объяснить измельчением электронного соединения Сu31Sn8 и уменьшением его количества под воздей- ствием НЭМИ в составе эвтектоида, в конечном итоге, частичным растворением электронного сое- динения в a-твердом растворе. Содержание меди в a-твердом растворе эвтек- тоида (a + Cu31Sn8) возрастает (до ∼92–93 мас.%) до 15-минутного облучения жидкой фазы НЭМИ (рис. 1, в), а содержание олова, наоборот, уменьша- ется до ∼7,5 мас.% (рис. 1, г). Следовательно, можно сделать вывод о том, что при облучении жидкой фазы возрастающей продолжительностью (до 20 мин) намечается тенденция увеличения растворимости олова в первичных дендритах a-твердого раствора и уменьшения ее в металлической основе эвтекто- ида (без первичного a-твердого раствора и d-фазы). Последнее обстоятельство должно смещать состав оловянистой бронзы в сторону меньшей перитек- тичности и эвтектоидности. Это в свою очередь, по-видимому, должно способствовать кристалли- зации мелкодисперсной электронной фазы типа Сu31Sn8 в составе эвтектоида при 15-минутном об- лучении расплава НЭМИ. При этом микронеодно- родность распределения олова в металлической основе бронзы существенно уменьшается, что хо- рошо видно на рентгеновских излучениях Cu Kа-L и Sn Lа- L. При ПОН, равной 20 мин, раствори- мость олова в первичных дендритах a-твердого раствора уменьшается, а в металлической матрице эвтектоида, наоборот, возрастает (рис. 1, б–г), что приводит к кристаллизации большего количества эвтектоида более крупного размера. При этом вновь проявляются микронеоднородности по рас- пределению олова в металлической основе, о чем свидетельствуют результаты рентгеновских излу- чений. Физико-механические свойства. Исследова- ли влияние ПОН жидкой фазы на электро- и тепло- проводность, плотность, твердость, параметр кри- сталлической решетки меди. На рис. 2 приведены результаты этих исследований. Минимальная твердость и максимальная те- плопроводность облученной меди наблюдаются также при 10-минутной обработке НЭМИ жидкой фазы; теплопроводность возрастает в 1,5 раза, а твердость уменьшается на 2,7 ед. по НВ; коэффи- циент электросопротивления изменяется по зави- симости, обратной теплопроводности. Максимальная плотность меди при 20 ºС на- блюдается при 10-минутной обработке жидкой фазы; при этом период кристаллической решетки а (рис. 2) меди приобретет минимальное значение. На рис. 3 приведены зависимости теплопрово- дности, твердости и плотности бронзы от ПОН расплава. Получены следующие результаты: тепло- проводность бронзы, облученной НЭМИ в жидком состоянии в течение 15 мин, возрастает в 2,0 раза, а твердость – в 1,24 раза; максимальная плотность также наблюдается при 15-минутной обработке жидкой бронзы. Эксплуатационные свойства меди и бронзы. Удельный прирост массы образца из меди в зави- симости от ПОН изменяется по экстремальной за- висимости и имеет минимальное значение (макси- мальная жаростойкость) при 10-минутной обра- Рис. 1. Распределение элементов в различных фазах бронзы в зависимости от продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ 3 (67), 2012 / 139 ботке НЭМИ жидкой фазы; значение коэффициен- та коррозии до 5–10 мин обработки НЭМИ резко снижается (примерно в 2 раза), а затем незначи- тельно возрастает. При облучении жидкой фазы в течение 10 мин наблюдаются максимальные зна- чения жаростойкости (в 1,25 раза) и коррозионно- стойкости (в 2,0 раза). Установлено, что удельный прирост массы об- разцов из бронзы до 10 мин облучения возрастает, а затем, при 15 мин облучения, резко снижается в 2 раза; при 20 мин снова возрастает; коэффици- ент коррозии К до 5–15 мин облучения резко уве- личивается, а при дальнейшем увеличении ПОН незначительно уменьшается. Таким образом, облучение НЭМИ жидкой фазы меди и оловянистой бронзы в течение 10–15 мин существенно изменяет их физико-механические и эксплуатационные свойства. Рис. 2. Влияние продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ на физико-механические свойства меди Рис. 3. Влияние продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ на физико-механические свойства бронзы (6,0% Sn)